В физике элементарных частиц аромат или аромат относится к виду элементарной частицы . Стандартная модель насчитывает шесть разновидностей кварков и шесть разновидностей лептонов . Они традиционно параметризуются ароматическими квантовыми числами , которые присваиваются всем субатомным частицам . Их также можно описать с помощью некоторых симметрий семейства , предложенных для кварк-лептонных поколений.
В классической механике сила , действующая на точечную частицу, может изменить только динамическое состояние частицы, то есть ее импульс , угловой момент и т. д. Однако квантовая теория поля допускает взаимодействия, которые могут изменить другие аспекты природы частицы. описывается нединамическими дискретными квантовыми числами. В частности, действие слабого взаимодействия таково, что оно позволяет переводить квантовые числа, описывающие массу и электрический заряд как кварков, так и лептонов, из одного дискретного типа в другой. Это известно как изменение вкуса или трансмутация вкуса. Благодаря квантовому описанию состояния ароматов также могут подвергаться квантовой суперпозиции .
В атомной физике главное квантовое число электрона определяет электронную оболочку, в которой он находится, что определяет энергетический уровень всего атома. Аналогично, пять квантовых чисел ароматов ( изоспин , странность , очарование , низость или верхность ) могут характеризовать квантовое состояние кварков по степени, в которой он демонстрирует шесть различных ароматов (u, d, s, c, b, t).
Композитные частицы могут быть созданы из нескольких кварков, образующих адроны , такие как мезоны и барионы , каждый из которых обладает уникальными совокупными характеристиками, такими как разные массы, электрические заряды и режимы распада. Общие квантовые числа аромата адрона зависят от количества составляющих кварков каждого конкретного аромата.
Все различные заряды, обсуждавшиеся выше, сохраняются благодаря тому факту, что соответствующие операторы заряда можно понимать как генераторы симметрий , коммутирующих с гамильтонианом. Таким образом, собственные значения различных операторов заряда сохраняются.
Абсолютно сохраняющимися квантовыми числами в Стандартной модели являются:
В некоторых теориях, таких как теория великого объединения , сохранение отдельных барионных и лептонных чисел может нарушаться, если сохраняется разница между ними ( B — L ) (см. Киральная аномалия ).
Сильные взаимодействия сохраняют все ароматы, но все квантовые числа ароматов нарушаются (изменяются, не сохраняются) электрослабыми взаимодействиями .
Если есть две или более частицы, которые имеют одинаковые взаимодействия, то их можно поменять местами, не влияя на физику. Все (сложные) линейные комбинации этих двух частиц дают одну и ту же физику, если эти комбинации ортогональны или перпендикулярны друг другу.
Другими словами, теория обладает преобразованиями симметрии, такими как , где u и d — два поля (представляющие различные поколения лептонов и кварков, см. ниже), а M — любая унитарная матрица 2 × 2 с единичным определителем . Такие матрицы образуют группу Ли под названием SU(2) (см. специальную унитарную группу ). Это пример вкусовой симметрии.
В квантовой хромодинамике аромат – это сохраняющаяся глобальная симметрия . В электрослабой теории , с другой стороны, эта симметрия нарушается, и существуют процессы изменения аромата, такие как распад кварков или нейтринные осцилляции .
Все лептоны имеют лептонное число L = 1 . Кроме того, лептоны несут слабый изоспин T 3 , который —1/2для трёх заряженных лептонов (т.е. электрона , мюона и тау ) и +1/2для трех связанных нейтрино . Говорят, что каждый дублет заряженного лептона и нейтрино, состоящий из противоположного Т 3 , составляют одно поколение лептонов. Кроме того, определяется квантовое число, называемое слабым гиперзарядом , Y W , которое равно −1 для всех левых лептонов. [1] Слабый изоспин и слабый гиперзаряд учитываются в Стандартной модели .
Лептонам можно присвоить шесть ароматных квантовых чисел: число электронов, число мюонов, число тау и соответствующие номера нейтрино ( электронное нейтрино , мюонное нейтрино и тау-нейтрино ). Они сохраняются при сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушаются при слабых взаимодействиях. Поэтому такие ароматные квантовые числа не приносят большой пользы. Более полезно отдельное квантовое число для каждого поколения : электронное лептонное число (+1 для электронов и электронных нейтрино), мюонное лептонное число (+1 для мюонов и мюонных нейтрино) и тауонное лептонное число (+1 для тау-лептонов и тау-нейтрино). ). Однако даже эти числа не сохраняются абсолютно, так как нейтрино разных поколений могут смешиваться ; то есть нейтрино одного аромата может превратиться в другой аромат . Сила такого смешивания определяется матрицей, называемой матрицей Понтекорво-Маки-Накагавы-Саката (матрица PMNS).
Все кварки имеют барионное число B = + +1/3, и все антикварки имеют B = − +1/3. Все они также несут слабый изоспин T 3 = ± +1/2. Положительно заряженные кварки (up-, очарованный и топ-кварки) называются кварками up-типа и имеют T 3 = + +1/2 ; отрицательно заряженные кварки (нижние, странные и нижние кварки) называются кварками нижнего типа и имеют T 3 = −+1/2. Каждый дублет кварков верхнего и нижнего типа представляет собой одно поколение кварков.
Для всех ароматных квантовых чисел кварка, перечисленных ниже, соглашение заключается в том, что ароматный заряд и электрический заряд кварка имеют один и тот же знак . Таким образом, любой аромат, переносимый заряженным мезоном, имеет тот же знак, что и его заряд. Кварки имеют следующие ароматические квантовые числа:
Эти пять квантовых чисел вместе с барионным числом (которое не является ароматным квантовым числом) полностью определяют номера всех 6 ароматов кварков по отдельности (как n q − n q̅ , т.е. антикварк считается со знаком минус). Они сохраняются как при электромагнитном, так и при сильном взаимодействии (но не при слабом взаимодействии). Из них можно построить производные квантовые числа:
Термины «странный» и «странность» появились до открытия кварка, но продолжали использоваться после его открытия ради преемственности (т. е. странность каждого типа адронов оставалась прежней); странность того, что античастицы обозначаются как +1, а частицы - как -1 согласно исходному определению. Странность была введена для объяснения скорости распада вновь открытых частиц, таких как каон, и использовалась в классификации адронов Восьмеричным путем и в последующих моделях кварков . Эти квантовые числа сохраняются при сильных и электромагнитных взаимодействиях , но не при слабых взаимодействиях .
Для слабых распадов первого порядка, то есть процессов, включающих распад только одного кварка, эти квантовые числа (например, очарование) могут изменяться только на 1, то есть для распада с участием очарованного кварка или антикварка либо в качестве падающей частицы, либо в качестве распада побочный продукт, ΔC = ±1 ; аналогично, для распада с участием нижнего кварка или антикварка Δ B' = ±1 . Поскольку процессы первого порядка более распространены, чем процессы второго порядка (с участием двух распадов кварков), это можно использовать в качестве приблизительного « правила отбора » для слабых распадов.
Особая смесь ароматов кварков является собственным состоянием части слабого взаимодействия гамильтониана , поэтому будет особенно просто взаимодействовать с W-бозонами (заряженные слабые взаимодействия нарушают аромат). С другой стороны, фермион фиксированной массы (собственное состояние кинетической части гамильтониана и частей сильного взаимодействия) является собственным состоянием аромата. Преобразование от первого базиса к базису собственного состояния аромата / собственного состояния массы для кварков лежит в основе матрицы Кабиббо – Кобаяши – Маскавы (матрица CKM). Эта матрица аналогична матрице PMNS для нейтрино и количественно определяет изменения аромата при заряженных слабых взаимодействиях кварков.
Матрица CKM допускает нарушение CP , если имеется как минимум три поколения.
Квантовые числа аромата аддитивны. Следовательно, античастицы имеют аромат, равный по величине частице, но противоположный по знаку. Адроны наследуют свое ароматное квантовое число от своих валентных кварков : это основа классификации в кварковой модели . Соотношения между гиперзарядом, электрическим зарядом и другими ароматными квантовыми числами справедливы как для адронов, так и для кварков.
Проблема вкуса (также известная как загадка аромата) — это неспособность современной физики вкуса Стандартной модели объяснить, почему свободные параметры частиц в Стандартной модели имеют те значения, которые они имеют, и почему существуют определенные значения для углов смешивания в PMNS. и матрицы CKM . Эти свободные параметры — массы фермионов и углы их смешивания — по-видимому, специально настроены. Понимание причины такой настройки могло бы стать решением загадки вкуса. В этой загадке задействованы очень фундаментальные вопросы, например, почему существуют три поколения кварков (верхние-низкие, странные по очарованию и верхние-нижние кварки) и лептонов (электрон, мюон и тау-нейтрино), а также как и почему иерархия массы и смешивания возникает среди разных ароматов этих фермионов. [2] [3] [4]
Квантовая хромодинамика (КХД) содержит шесть разновидностей кварков . Однако их массы различаются, и в результате они не являются строго взаимозаменяемыми. Массы верхних и нижних кварков близки к равным, и теория этих двух кварков обладает приблизительной симметрией SU (2) ( изоспиновой симметрией).
При некоторых обстоятельствах (например, когда массы кварков намного меньше масштаба нарушения киральной симметрии 250 МэВ) массы кварков не вносят существенного вклада в поведение системы, и в нулевом приближении массами легчайших кварков можно пренебречь. для большинства целей, как если бы они имели нулевую массу. Упрощенное поведение ароматических преобразований затем можно успешно смоделировать как независимое действие на левую и правую части каждого кваркового поля. Это приближенное описание симметрии ароматов описывается киральной группой SU L ( N f ) × SU R ( N f ) .
Если бы все кварки имели ненулевые, но равные массы, то эта киральная симметрия нарушается до векторной симметрии «диагональной ароматной группы» SU( N f ) , которая применяет одно и то же преобразование к обеим спиральностям кварков. Это снижение симметрии является формой явного нарушения симметрии . Сила явного нарушения симметрии контролируется текущими массами кварков в КХД.
Даже если кварки безмассовы, киральная ароматная симметрия может быть спонтанно нарушена, если вакуум теории содержит киральный конденсат (как это происходит в низкоэнергетической КХД). Это приводит к появлению эффективной массы кварков, которую часто отождествляют с массой валентного кварка в КХД.
Анализ экспериментов показывает, что текущие массы кварков более легких ароматов кварков намного меньше шкалы КХД , Λ QCD , следовательно, симметрия кирального аромата является хорошим приближением к КХД для верхних, нижних и странных кварков. Успех киральной теории возмущений и даже более наивных киральных моделей обусловлен этим фактом. Массы валентных кварков, извлеченные из кварковой модели , намного больше, чем текущая масса кварков. Это указывает на то, что КХД имеет спонтанное нарушение киральной симметрии с образованием кирального конденсата . Другие фазы КХД могут нарушать симметрию кирального аромата и другими способами.
Изоспин, странность и гиперзаряд появились еще до модели кварков. Первое из этих квантовых чисел, Изоспин, было введено в качестве концепции в 1932 году Вернером Гейзенбергом [ 5] для объяснения симметрии недавно открытого нейтрона (символ n):
Протоны и нейтроны были сгруппированы как нуклоны и рассматривались как разные состояния одной и той же частицы, поскольку они оба имеют почти одинаковую массу и взаимодействуют почти одинаково, если пренебречь (гораздо более слабым) электромагнитным взаимодействием.
Гейзенберг отметил, что математическая формулировка этой симметрии в некоторых отношениях аналогична математической формулировке нерелятивистского спина , откуда и происходит название «изоспин». Нейтрон и протон относят к дублету (спин- 1 ⁄ 2 , 2 или фундаментальное представление ) SU(2), при этом протон и нейтрон затем связываются с различными проекциями изоспина I 3 = ++1 ⁄ 2 и−+1 ⁄ 2 соответственно. Пионы присваиваются тройке (спин-1, 3 или присоединенное представление ) группы SU(2). Хотя есть отличие от теории вращения: групповое действие не сохраняет вкус (на самом деле групповое действие представляет собой именно обмен вкусами).
При построении физической теории ядерных сил можно было бы просто предположить, что она не зависит от изоспина, хотя полный изоспин должен сохраняться. Концепция изоспина оказалась полезной при классификации адронов , открытых в 1950-х и 1960-х годах (см. Зоопарк частиц ), где частицам с одинаковой массой присваивается мультиплет изоспина SU(2) .
Открытие странных частиц , таких как каон, привело к новому квантовому числу, сохраняемому сильным взаимодействием: странность (или, что то же самое, гиперзаряд). В 1953 году была открыта формула Гелла-Манна-Нисидзимы , которая связывает странность и гиперзаряд с изоспином и электрическим зарядом. [6]
Как только каоны и их свойство странности стали лучше поняты, стало ясно, что они тоже, по-видимому, являются частью расширенной симметрии, включающей изоспин в качестве подгруппы. Более крупная симметрия была названа Мюрреем Гелл-Манном Восьмеричным путем и была быстро признана соответствующей присоединенному представлению SU(3) . Чтобы лучше понять происхождение этой симметрии, Гелл-Манн предположил существование верхних, нижних и странных кварков , которые принадлежали бы фундаментальному представлению ароматной симметрии SU(3).
Чтобы объяснить наблюдаемое отсутствие нейтральных токов, изменяющих аромат , в 1970 году был предложен механизм GIM , который ввёл очаровательный кварк и предсказал J/psi-мезон . [7] J /psi-мезон действительно был обнаружен в 1974 году, что подтвердило существование очаровательных кварков. Это открытие известно как Ноябрьская революция . Ароматное квантовое число, связанное с очарованным кварком, стало известно как очарование .
Нижние и верхние кварки были предсказаны в 1973 году для объяснения CP-нарушения [8] , что также подразумевало два новых квантовых числа аромата: нижнее и верхнее .
